RU2221965C2

RU2221965C2 - Cryogenic vessel filling method and system

Info

Publication number: RU2221965C2
Application number: RU2002109350/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гореликов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2004-01-20

Abstract

FIELD: apparatus for filling vessels not under pressure with liquefied or solidified gases. SUBSTANCE: method involves supercooling cryogenic product before feeding thereof to provide product temperature less than product equilibrium temperature corresponding to feeding pressure; draining cryogenic product vapor; measuring vapor pressure and inner wall temperature into vessel; stopping cryogenic product vapor drainage when inner wall temperature becomes equal to cryogenic product feeding temperature; reducing pressure in vessel vapor space by spraying of additional cryogenic product portion to reduce cryogenic product pressure to value not exceeding cryogenic product feeding pressure. EFFECT: reduced filling time and decreased cryogenic product losses. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации криогенных систем. The invention relates to cryogenic technology, and more specifically to the field of design and operation of cryogenic systems.

Известен способ заправки криогенной емкости, включающий подачу криогенного продукта, например жидкого водорода, в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости. При этом подачу в криогенную емкость криогенного продукта производят при равновесной температуре, соответствующей давлению подачи, что приводит к повышению испаряемости продукта и его отбору в дренаж (см., например, В.Г. Фастовский и др. "Криогенная техника", изд. "Энергия", М., 1967 г., стр. 272). A known method of refueling a cryogenic tank, including feeding a cryogenic product, for example liquid hydrogen, into a cryogenic tank, draining the vapor of a cryogenic product, measuring vapor pressure in a cryogenic tank. At the same time, the cryogenic product is supplied to the cryogenic tank at an equilibrium temperature corresponding to the supply pressure, which leads to an increase in the product evaporation and its selection in the drainage (see, for example, V.G. Fastovsky et al. "Cryogenic Technique", ed. " Energy ", Moscow, 1967, p. 272).

Известна система заправки криогенной емкости (см., например, Е.И.Микулин, "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г.), содержащая заправочную магистраль, посредством которой подключают к резервуару заправляемую криогенным продуктом криогенную емкость и на которой установлена контрольно-измерительная и управляющая арматура. Криогенные системы используются при проведении заправки криогенных емкостей криогенным продуктом, например жидким водородом. A known system for filling a cryogenic tank (see, for example, E.I. Mikulin, "Cryogenic Technique", publishing house "Engineering", M., 1969), containing a filling line by means of which a cryogenic tank filled with cryogenic product is connected to the tank and on which control and measuring and control valves are installed. Cryogenic systems are used when refueling cryogenic containers with a cryogenic product, for example, liquid hydrogen.

Недостатками указанных технических решений являются длительный процесс заправки криогенной емкости криогенным продуктом и большие потери последнего при заправке. The disadvantages of these technical solutions are the long process of filling the cryogenic capacity with a cryogenic product and the large losses of the latter during refueling.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ заправки криогенной емкости, взятый за прототип, включающий подачу криогенного продукта, например жидкого водорода, в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости и температуры внутренней стенки последней (см., например, Е. И. Микулин "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г., стр. 117-122). Closest to the invention in terms of essential features is a method of filling a cryogenic tank, taken as a prototype, which includes feeding a cryogenic product, for example liquid hydrogen, into a cryogenic tank, draining the vapor of a cryogenic product, measuring vapor pressure in a cryogenic tank and the temperature of the inner wall of the latter (see , for example, E. I. Mikulin, "Cryogenic Technique," ed. "Mechanical Engineering", Moscow, 1969, pp. 117-122).

В известном способе заправки криогенной емкости подачу криогенного продукта в криогенную емкость производят при равновесной температуре, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи, а дренаж паров из криогенной емкости производят постоянно в течение всего процесса заправки. Эффективность заправки криогенной емкости таким способом мала и приводит к большим потерям криогенной жидкости (продукта). In the known method of refueling a cryogenic tank, the cryogenic product is fed into the cryogenic tank at an equilibrium temperature corresponding to the temperature of the cryogenic product at the supply pressure, and the vapor is drained from the cryogenic tank continuously during the entire filling process. The efficiency of filling a cryogenic tank in this way is small and leads to large losses of cryogenic liquid (product).

Наиболее близким по технической сущности является система заправки криогенной емкости, взятая за прототип и содержащая заправочную магистраль, подключенную к резервуару заправщика, дренажную магистраль, заправочный и дренажный клапаны и датчики давления и температуры (см., например, Е.И. Микулин. "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г., стр. 122). The closest in technical essence is the cryogenic capacity filling system, taken as a prototype and containing a filling line connected to a tanker tank, a drain line, a filling and drain valve and pressure and temperature sensors (see, for example, EI Mikulin. "Cryogenic technology ", ed." Engineering ", M., 1969, p. 122).

Указанная система обеспечивает заправку криогенной емкости жидким водородом, при этом пары из криогенной емкости через подогреватель возвращаются в магистраль дренажа для повторного цикла сжижения. Автоматические клапаны регулируют давление обратного потока водорода. Такие системы имеют длительный процесс заправки криогенной емкости криогенным продуктом и большие потери криогенного продукта при заправке и заполнении до заданного уровня (количества). The specified system provides filling the cryogenic tank with liquid hydrogen, while the vapors from the cryogenic tank through the heater are returned to the drainage line for a second liquefaction cycle. Automatic valves regulate the return pressure of hydrogen. Such systems have a long process of filling the cryogenic capacity with a cryogenic product and large losses of the cryogenic product during filling and filling to a predetermined level (quantity).

Недостатками способа и системы заправки криогенной емкости, взятых за прототип, является длительный процесс заправки криогенной емкости и большие потери криогенного продукта. The disadvantages of the method and system of filling cryogenic capacity, taken as a prototype, is the long process of filling the cryogenic capacity and large losses of the cryogenic product.

Задачей настоящего изобретения является создание таких способа и системы заправки криогенной емкости, которые обеспечивали бы сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта при заправке и заполнении криогенной емкости до заданного уровня. The present invention is the creation of such a method and system of filling a cryogenic tank, which would reduce the time of filling and reducing losses of the cryogenic product when filling and filling the cryogenic tank to a predetermined level.

Поставленная задача решается тем, что в способе заправки криогенной емкости, включающем подачу криогенного продукта в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости и температуры внутренней стенки криогенной емкости, в отличие от известного перед подачей в криогенную емкость криогенный продукт переохлаждают по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи, а дренаж паров криогенного продукта прекращают в процессе заправки при достижении внутренней стенкой криогенной емкости температуры, равной температуре подаваемого криогенного продукта, и производят снижение давления в паровом пространстве криогенной емкости путем распыления дополнительно подаваемого криогенного продукта в зону парового пространства криогенной емкости до величины, не превышающей величину давления подачи криогенного продукта. The problem is solved in that in a method of filling a cryogenic tank, including feeding a cryogenic product into a cryogenic tank, draining the vapor of a cryogenic tank, measuring the vapor pressure in the cryogenic tank and the temperature of the inner wall of the cryogenic tank, in contrast to the cryogenic product known before being fed into the cryogenic tank, compared with the equilibrium temperature corresponding to the temperature of the cryogenic product at the supply pressure, and the vapor drain of the cryogenic product is stopped during the charging the avki when the inner wall of the cryogenic tank reaches a temperature equal to the temperature of the supplied cryogenic product, and the pressure in the vapor space of the cryogenic tank is reduced by spraying the additionally supplied cryogenic product into the zone of the steam space of the cryogenic tank to a value not exceeding the supply pressure of the cryogenic product.

Поставленная задача решается тем, что в систему заправки криогенной емкости, содержащую заправочную магистраль, подключенную к резервуару заправщика, дренажную магистраль, заправочный и дренажный клапаны и датчики давления и температуры, в отличие от известной введен закольцовочный трубопровод с перепускным клапаном, подключенный одним концом к заправочной магистрали между резервуаром и заправочным клапаном, а другим концом - к дренажной магистрали на выходе из криогенной емкости перед дренажным клапаном, при этом датчики давления установлены на закольцовочном трубопроводе между перепускным клапаном и концами подключения его к дренажной и заправочной магистралям соответственно, а дренажная магистраль на входе содержит сетчатый распылитель, расположенный в зоне парового пространства криогенной емкости. The problem is solved in that in the refueling system of the cryogenic tank containing a refueling line connected to the tank of the refueling tank, a drain line, a refueling and drain valve and pressure and temperature sensors, in contrast to the known one, a loopback pipe with a bypass valve connected at one end to the refueling is introduced the line between the tank and the filling valve, and the other end to the drainage line at the outlet of the cryogenic tank in front of the drainage valve, while pressure sensors mounted on the loop pipe between the bypass valve and the ends of its connection to the drainage and refueling lines, respectively, and the drainage line at the inlet contains a mesh spray located in the zone of the steam space of the cryogenic tank.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданные способ и система заправки криогенной емкости обеспечивают не только сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта, но и повышение надежности системы за счет повышения эффективности способа заправки криогенной емкости, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемых технических решений. The technical result consists in the fact that, in comparison with the known technical solutions, the newly created method and system for refueling a cryogenic tank not only reduce the refueling time and reduce losses of a cryogenic product, but also increase the reliability of the system by increasing the efficiency of the method for refueling a cryogenic tank, which is confirmed by tests prototypes made using the proposed technical solutions.

Использование предлагаемых способа и системы заправки криогенной емкости, например, для заправки жидкими водородом и кислородом, используемыми в системе энергопитания, выполненной на базе электрохимических водородно-кислородных генераторов, устанавливаемых на космических кораблях типа "Шаттл", позволит дать значительный экономический эффект за счет сокращения времени заправки и снижения потерь криогенного продукта при заправке емкостей. The use of the proposed method and system for refueling a cryogenic tank, for example, for refueling with liquid hydrogen and oxygen, used in an energy supply system based on electrochemical hydrogen-oxygen generators installed on Shuttle-type spacecraft, will give a significant economic effect by reducing time refueling and reduce losses of cryogenic product when refueling containers.

Суть изобретения поясняется чертежом. The essence of the invention is illustrated in the drawing.

На чертеже приведены: криогенная емкость 1 (теплоизолированная двухстенная), подключенная посредством заправочной магистрали 2 к резервуару 3 заправщика 4, дренажная магистраль 5, заправочный клапан 6, дренажный клапан 7, датчики давления 8, 9 и датчик температуры 10. The drawing shows: cryogenic tank 1 (thermally insulated double-walled), connected via a filling pipe 2 to the tank 3 of the tanker 4, a drain pipe 5, a filling valve 6, a drain valve 7, pressure sensors 8, 9 and a temperature sensor 10.

Криогенная система снабжена закольцовочным трубопроводом 11, содержащим перепускной клапан 12 и датчики давления 8, 9, соответственно установленные до и после перепускного клапана 12, и включенным одним концом 13 в заправочную магистраль 2 между резервуаром 3 и заправочным клапаном 6, а другим концом 14 - в дренажную магистраль 5 на выходе 15 из емкости 1 перед дренажным клапаном 7. The cryogenic system is equipped with a loop pipe 11 containing a bypass valve 12 and pressure sensors 8, 9, respectively installed before and after the bypass valve 12, and included at one end 13 in the filling line 2 between the tank 3 and the filling valve 6, and the other end 14 in drain line 5 at the outlet 15 of the tank 1 in front of the drain valve 7.

Дренажная магистраль 5 на выходе 16 содержит сетчатый распылитель 17, расположенный в зоне парового пространства 18 емкости 1. Датчик температуры 10 установлен на внутренней стенке 19 емкости 1. В качестве теплоизоляции 20, размещенной в межстенной полости 21, используют, например, экранно-вакуумную теплоизоляцию ЭВТИ-2В. Клапаны 6, 7, 12, датчики давления 8, 9 и датчик температуры 10 электрически связаны с блоком измерения и управления клапанами 22. The drainage line 5 at the outlet 16 contains a mesh sprayer 17 located in the zone of the steam space 18 of the tank 1. A temperature sensor 10 is installed on the inner wall 19 of the tank 1. As an insulation 20 located in the interwall cavity 21, for example, screen-vacuum thermal insulation is used EVTI-2V. Valves 6, 7, 12, pressure sensors 8, 9 and a temperature sensor 10 are electrically connected to the valve measurement and control unit 22.

Работает криогенная система и реализуется способ заправки криогенным продуктом теплоизолированной двухстенной емкости следующим образом. A cryogenic system works and a method for refueling a cryogenic product with a thermally insulated double-walled tank is implemented as follows.

Криогенный продукт 23, например жидкий водород или жидкий кислород, до подачи в емкость 1 переохлаждают в резервуаре 3 заправщика 4, например, способом вакуумирования и откачкой паров водорода (кислорода) из парового пространства резервуара 3, например, до давления 54 мм рт. ст., что соответствует температуре жидкого водорода 14 К (как наиболее оптимальных, что подтверждено испытаниями), при этом равновесная температура жидкого водорода 23 К соответствует давлению его подачи 2 кг/см². Переохлаждение криогенного продукта перед подачей по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре при давлении подачи, производят для перекрытия теплопритоков при прохождении криогенного продукта по заправочным трубопроводам (в результате трения) и т.д., тем самым увеличивая время поддержания требуемого состояния криогенного продукта и, следовательно, уменьшая потери. При этом выбор параметров переохлаждения обусловлен.The cryogenic product 23, for example liquid hydrogen or liquid oxygen, is cooled before filling into the tank 1 in the tank 3 of the refueling tank 4, for example, by the method of evacuation and pumping of hydrogen (oxygen) vapor from the vapor space of the tank 3, for example, to a pressure of 54 mm Hg. century, which corresponds to a temperature of liquid hydrogen of 14 K (as the most optimal, as confirmed by tests), while the equilibrium temperature of liquid hydrogen of 23 K corresponds to a supply pressure of 2 kg / cm ² . Subcooling of the cryogenic product before feeding, in comparison with the equilibrium temperature corresponding to the temperature at the supply pressure, is performed to shut off heat inflows when the cryogenic product passes through the filling pipelines (as a result of friction), etc., thereby increasing the time required to maintain the required state of the cryogenic product and, therefore, reducing losses. In this case, the choice of parameters of subcooling is determined.

Заправку емкости 1 производят при открытых клапанах 6, 7 и закрытом клапане 12. Переохлажденный водород подают из резервуара 3 по заправочной магистрали 2 в емкость 1, при этом первоначально происходит захолаживание криогенной емкости 1 с последующим заполнением ее до заданного уровня (количества). Испаряющийся водород отводят через дренажную магистраль 5. При достижении внутренней стенкой 19 криогенной емкости 1 температуры подаваемого криогенного продукта 23 (жидкого водорода) по сигналу от датчика температуры 10, установленному на внутренней стенке 19, блок измерения и управления клапанами 22 формирует и подает сигнал на закрытие заправочного и дренажного клапанов 6, 7 и открытие перепускного клапана 12, после чего из резервуара 3 производят дополнительную подачу криогенного продукта 23 через закольцовочный трубопровод 11, дренажную магистраль 5 и посредством сетчатого распылителя 17 душированием подают (впрыскивают) в зону парового пространства 18 криогенной емкости 1. Процесс распыления ведут до снижения давления в паровом пространстве 18 до величины, не превышающей давления подачи криогенного продукта (2кг/см²). При необходимости процесс заправки и дозаправки распылением (душированием) повторяют многократно.Refueling of tank 1 is carried out with open valves 6, 7 and closed valve 12. Supercooled hydrogen is supplied from tank 3 through a fuel line 2 to tank 1, and initially the cryogenic tank 1 is cooled down and then filled to a predetermined level (quantity). Evaporating hydrogen is discharged through the drain line 5. When the inner wall 19 of the cryogenic tank 1 reaches the temperature of the supplied cryogenic product 23 (liquid hydrogen) by a signal from the temperature sensor 10 installed on the inner wall 19, the valve measurement and control unit 22 generates and sends a signal to close filling and drain valves 6, 7 and opening the bypass valve 12, after which from the tank 3 produce an additional supply of cryogenic product 23 through the loop pipe 11, drainage and on lines 5 through 17 mesh nebulizer dushirovaniem fed (injected) into the vapor space region 18 of the cryogenic container 1. The sputtering process is carried out to reduce the pressure in the vapor space 18 to a value not exceeding the supply pressure of the cryogenic product (2 kg / cm ^2). If necessary, the process of refueling and refueling by spraying (choking) is repeated many times.

В процессе заправки криогенной емкости 1 криогенным продуктом 23 измерение давления в паровом пространстве производят по датчику давления 9, а измерение давления подачи криогенного продукта производят по датчику давления 8. In the process of filling a cryogenic tank 1 with a cryogenic product 23, the pressure in the steam space is measured using a pressure sensor 9, and the supply pressure of the cryogenic product is measured using a pressure sensor 8.

Таким образом, разрешается поставленная задача, обеспечивается сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта 23 при заправке криогенной емкости 1, когда для этого криогенный продукт 23 переохлаждают до подачи его в криогенную емкость 1 и при достижении внутренней стенкой 19 криогенной емкости 1 температуры подаваемого криогенного продукта производят дополнительную подачу последнего распылением в зону парового пространства 18 криогенной емкости 1. Thus, the task is solved, a reduction in refueling time and a decrease in losses of the cryogenic product 23 are ensured when refueling the cryogenic tank 1, when for this the cryogenic product 23 is cooled before it is fed into the cryogenic tank 1 and when the cryogenic tank 1 reaches the temperature of the cryogenic product supplied produce an additional supply of the latter by spraying into the zone of the steam space 18 of the cryogenic tank 1.

Claims

1. The method of refueling a cryogenic tank, including feeding the cryogenic product into the cryogenic tank, draining the vapor of the cryogenic product, measuring the vapor pressure in the cryogenic tank and the temperature of the inner wall of the cryogenic tank, characterized in that the cryogenic product is supercooled before being fed to the cryogenic tank compared to equilibrium temperature corresponding to the temperature of the cryogenic product at the supply pressure, and the vapor drain of the cryogenic product is stopped during the filling process when the inner wall reaches IOGEN tank temperature equal to the temperature of the cryogenic feed product, and produce a decrease in pressure in the vapor space of a cryogenic vessel further applied by spraying cryogenic product zone cryogenic tank vapor space to a value not exceeding the pressure magnitude supplying cryogenic product.

2. A cryogenic capacity filling system comprising a filling line connected to a tank of a refueling tank, a drain line, a filling and drain valve and pressure and temperature sensors, characterized in that a loop pipe with a bypass valve connected at one end to the filling line between the tank is introduced and a filling valve, and the other end to the drainage line at the outlet of the cryogenic tank in front of the drainage valve, while pressure sensors are installed on the loopback pipes wire between the bypass valve and connecting it to the ends of the drainage and filling highways, respectively, and the drain line inlet comprises a mesh nebulizer, located in the zone of the cryogenic tank vapor space.